现代传感第9章

1、第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 9.1.1 9.1.1 生物传感技术的原理生物传感技术的原理 9.1.3 9.1.3 生物传感器的分类生物传感器的分类 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术 v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 v以生物活性物质为敏感材料做成的传感器叫以生物活性物质为敏感材料做成的传感器叫生物传感器生物传感器。它。它以生物分子去识别被测目标，然后将生物分子所发生的物理以生物分子去识别被测目标，然后将生物分子所发生的物理或化学变化转化为相应的电信号，予以放大输出，从

2、而得到或化学变化转化为相应的电信号，予以放大输出，从而得到检测结果。检测结果。v生物体内存在彼此间有特殊亲和力的物质对，如生物体内存在彼此间有特殊亲和力的物质对，如酶酶与与底物底物、抗原抗原与与抗体抗体、激素激素与与受体受体等，若将这些物质对的一方用固定等，若将这些物质对的一方用固定化技术固定在载体膜上作为分子识别元件（敏感元件），则化技术固定在载体膜上作为分子识别元件（敏感元件），则能有选择性地检测另一方。能有选择性地检测另一方。v结构：包括一种或数种相关生物活性材料（结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜生物膜）及能把）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（生物活性

3、表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传传感器感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。析装置、仪器和系统。 9.1.3 9.1.3 生物传感器的分类生物传感器的分类v根据生物传感器中根据生物传感器中分子识别元件分子识别元件（敏感元件）的不同，（敏感元件）的不同，生物传感器可分为生物传感器可分为酶传感器酶传感器（固定化酶）、（固定化酶）、微生物传感微生物传感器器（固定化微生物）、（固定化微生物）、免疫传感器免疫

4、传感器（固定化抗体）、（固定化抗体）、基基因传感器因传感器（固定化单链核酸）、（固定化单链核酸）、细胞传感器细胞传感器（固定化细（固定化细胞器）和胞器）和组织传感器组织传感器（固定化生物体组织）等。（固定化生物体组织）等。v按照传感器器件按照传感器器件检测的原理检测的原理分类，可分为：热敏生物传分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。体生物传感器等。第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1

5、 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术 9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应 9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 9.2.3 9.2.3 免疫反应免疫反应 9.2.4 9.2.4 膜技术膜技术 v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应v酶促反应具有一般催化剂的性质，加速化学反应的进行，而酶促反应具有一般催化剂的性质，加速化学反应的进行，而其本身在反应前后没有质和量的改变，不影响反应的方向，其本身在反应前后没有质和量的改变，不影响反应的方向，不改变反应的平衡常数。

6、不改变反应的平衡常数。v酶促反应具有极高的催化效率。一般而论，酶促反应速度比酶促反应具有极高的催化效率。一般而论，酶促反应速度比非催化反应高非催化反应高10-2010-20倍。倍。v酶促反应具有高度的专一性。一种酶只作用于一类化合物或酶促反应具有高度的专一性。一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性（绝对特异性、相对特异这种现象称为酶的特异性或专一性（绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性）。性和立体异构特异性）。v受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物。受酶催化的化合物

7、称为该酶的底物或作用物。9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应v酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响v底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响vpH对反应速度的影响对反应速度的影响v温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响v抑制剂对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响v激活剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术 9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应 9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 9.2.3 9.2.3 免疫

8、反应免疫反应 9.2.4 9.2.4 膜技术膜技术 v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 v利用微生物进行生物化学反应的过程称为微利用微生物进行生物化学反应的过程称为微生物反应过程，即将微生物作为生物催化剂生物反应过程，即将微生物作为生物催化剂进行的反应为进行的反应为微生物反应微生物反应。v酶酶在微生物反应中起最基本的催化作用，然在微生物反应中起最基本的催化作用，然而而微生物反应微生物反应是由微生物细胞完成的，每一是由微生物细胞完成的，每一个微生物细胞都是一个相当复杂而完整的系个微生物细胞都是一个相当复杂而完整的系统，不计其数的酶在系统中高度协调地实现统，不计

9、其数的酶在系统中高度协调地实现自身的功能，最终完成微生物反应。自身的功能，最终完成微生物反应。v（1 1）两者都是生物化学反应，反应所需要的）两者都是生物化学反应，反应所需要的环境相似；环境相似；v（2 2）微生物细胞中包含各种各样的酶，可以）微生物细胞中包含各种各样的酶，可以催化所有酶可以催化的反应；催化所有酶可以催化的反应；v（3 3）两者催化的速度近似。）两者催化的速度近似。1.1.微生物反应和酶反应的共同特点微生物反应和酶反应的共同特点 v（1 1）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系统为）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系统为酶的反应提供了天然的酶的反应提供了天然的“理想环境理

10、想环境”，细胞可以在较长，细胞可以在较长的时间保持一定的催化活性；的时间保持一定的催化活性；v（2 2）同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶，显）同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶，显然比单一的酶更适合多底物反应；然比单一的酶更适合多底物反应；v（3 3）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供；提供；v（4 4）酶的提纯成本高，有些酶至今未能完全的提纯，）酶的提纯成本高，有些酶至今未能完全的提纯，相比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。相比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。2.2.微生物反应的特殊性微生物反应的特殊性 v（1 1）由于

11、反应过程中往往存在着微生物的生）由于反应过程中往往存在着微生物的生长和死亡，故分析反应的标准不易建立。长和死亡，故分析反应的标准不易建立。v（2 2）微生物细胞本身是一个庞大的酶系统，）微生物细胞本身是一个庞大的酶系统，包括自身代谢在内的许多反应并存，难以去包括自身代谢在内的许多反应并存，难以去除不必要的反应。除不必要的反应。v（3 3）微生物细胞受环境变化的影响易引起自）微生物细胞受环境变化的影响易引起自身生理状态的复杂化，从而导致不期望的反身生理状态的复杂化，从而导致不期望的反应。应。3.3.微生物传感器的不足之处微生物传感器的不足之处 v（1 1）按照生物代谢流向：）按照生物代谢流向：同

12、化作用同化作用（细胞将底物摄入并通（细胞将底物摄入并通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量的过过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量的过程）和程）和异化作用异化作用（将体内的大分子转化为小分子并释放出能（将体内的大分子转化为小分子并释放出能量的过程量的过程 ）。）。 v（2 2）按照微生物对营养的要求：）按照微生物对营养的要求：自养性自养性（以（以COCO2 2作为主要碳作为主要碳源，无机氮化物作为氮源，通过细菌的光合作用或化能合成源，无机氮化物作为氮源，通过细菌的光合作用或化能合成作用，将无机物制造成有机物，并且储存能量）和作用，将无机物制造成有机物，并且储存能量）和异

13、养性异养性（异养微生物只能用有机碳化物作碳源，在有机物氧化或发（异养微生物只能用有机碳化物作碳源，在有机物氧化或发酵过程中借呼吸或发酵作用而获得能量）。酵过程中借呼吸或发酵作用而获得能量）。v（3 3）按照微生物反应对氧的需求与否：）按照微生物反应对氧的需求与否：好氧反应好氧反应（在有空（在有空气的环境中才易生长繁殖气的环境中才易生长繁殖 ）和）和厌氧反应厌氧反应（在无分子氧的环（在无分子氧的环境中生长繁殖境中生长繁殖 ）。）。4.4.微生物反应的分类方式微生物反应的分类方式 第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术

14、生物传感技术的分子识别原理与技术 9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应 9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 9.2.3 9.2.3 免疫反应免疫反应 9.2.4 9.2.4 膜技术膜技术 v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 v免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。v自然免疫自然免疫是非特异型的，即能抵抗多种病原微生物的损害。是非特异型的，即能抵抗多种病原微生物的损害。v获得性免疫获得性免疫一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激后才一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激后才形成（免疫球蛋白等），并能与该抗原产生特异性

15、反应。形成（免疫球蛋白等），并能与该抗原产生特异性反应。v上述各种免疫过程中，上述各种免疫过程中，抗原抗原与与抗体抗体的反应是最基本的反应。的反应是最基本的反应。v抗原抗原是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。v抗体抗体是由抗原刺激机体产生的特性免疫功能的球蛋白。是由抗原刺激机体产生的特性免疫功能的球蛋白。v抗体与其相应抗原之间的抗体与其相应抗原之间的键连键连甚至比酶与其基质之间的连接甚至比酶与其基质之间的连接更加有力，特别是对对应的抗原的连接更是如此。更加有力，特别是对对应的抗原的连接更是如此。第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概

16、述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术 9.2.1 9.2.1 酶反应酶反应 9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 9.2.3 9.2.3 免疫反应免疫反应 9.2.4 9.2.4 膜技术膜技术 v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 v膜膜是指能以特定形式限制和传递各种物质的是指能以特定形式限制和传递各种物质的分隔两相的界面。分隔两相的界面。 v膜分离技术膜分离技术是利用膜的特殊性能和各种分离是利用膜的特殊性能和各种分离装置单元使溶液和悬浮液中的某些组分较其装置单元使溶液和悬浮液中的某些组分较其它组分更快

17、地透过，从而达到分离、浓缩的它组分更快地透过，从而达到分离、浓缩的目的。目的。 v非分离膜技术非分离膜技术主要是指一些具有特殊性能的主要是指一些具有特殊性能的功能膜的应用及其它一些膜过程（能量转换功能膜的应用及其它一些膜过程（能量转换膜、反应膜、膜蒸馏等）。膜、反应膜、膜蒸馏等）。第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 9.3.2 9.3.2 微生物传感器微生物传感器 9.

18、3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 9.3.4 9.3.4 基因传感器基因传感器 9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器v酶传感器是生物传感器领域中研究最多的一酶传感器是生物传感器领域中研究最多的一种类型。种类型。v酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器。的分析仪器。9.3.1 9.3.1 酶传

19、感器酶传感器v酶传感器的基本结构单元是由物质识别元件酶传感器的基本结构单元是由物质识别元件( (固定化酶膜固定化酶膜) )和信号转换器和信号转换器( (基体电极基体电极) )组成。组成。v当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体电极的作用是质由基体电极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测。使化学信号转变为电信号，从而加以检测。1. 1. 酶传感器的酶传感器的基本结构基本结构v当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并参与反应，大部分酶反应都会产生的内部并参与反应，大

20、部分酶反应都会产生或消耗一种可被电极测定的物质，当反应达或消耗一种可被电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位电位或或电流电流模式进行测定。模式进行测定。v酶传感器：酶传感器：电位电位型（是指酶电极与参比电极型（是指酶电极与参比电极间输出的电位信号）和间输出的电位信号）和电流电流型（以酶促反应型（以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关）。输出电流大小直接与底物浓度有关）。2. 2. 酶传感器的酶传感器的工作原理工作原理3. 3. 酶的固定方法酶的固定方法v（

21、1 1）酶固定化后活性应尽可能少受影响，保）酶固定化后活性应尽可能少受影响，保证传感器的高灵敏度和高选择性；证传感器的高灵敏度和高选择性；v（2 2）固定化方法对被测对象的传质阻力小，）固定化方法对被测对象的传质阻力小，保证传感器的快速响应；保证传感器的快速响应；v（3 3）酶固定化牢固，不易洗脱，保证传感器）酶固定化牢固，不易洗脱，保证传感器有较长的使用寿命。有较长的使用寿命。3. 3. 酶的固定方法酶的固定方法v吸附法：将酶通过静电引力、范德华力、氢键等作用吸附法：将酶通过静电引力、范德华力、氢键等作用力固定在电极表面，过程简单，但稳定性差；力固定在电极表面，过程简单，但稳定性差；v包埋法

22、：在温和的条件下形成聚合物的同时，将酶包包埋法：在温和的条件下形成聚合物的同时，将酶包埋在高聚物的微小格子中，或用物理方法将其包埋在埋在高聚物的微小格子中，或用物理方法将其包埋在凝胶中的方法；凝胶中的方法；v共价键合法：是酶蛋白分子上的官能团和固相支持物共价键合法：是酶蛋白分子上的官能团和固相支持物表面上的反应基团之间形成化学共价键连接，从而使表面上的反应基团之间形成化学共价键连接，从而使酶固定的方法；酶固定的方法；第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 9.3 生物传感器仪

23、器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 9.3.2 9.3.2 微生物传感器微生物传感器 9.3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 9.3.4 9.3.4 基因传感器基因传感器 9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器v（1 1）体积小）体积小：微生物体积小，往往需要借助显微镜才能看：微生物体积小，往往需要借助显微镜才能看清。微生物的清。微生物的“小小”不仅表现在其个体大小上，而且也表现不仅表现在其个体大小上，而且也表现在它们多为单细胞生物，多细胞的微生物也不存在着高等生在它们多为单细胞生物，多细胞的微生物也不存在着高等生物中

24、所见的那种功能分化的组织。物中所见的那种功能分化的组织。v（2 2）繁殖快）繁殖快：微生物的代谢活性很高，细菌这样的细胞生：微生物的代谢活性很高，细菌这样的细胞生物细胞面积与体积之比远大于高等生物，其繁殖速度也是远物细胞面积与体积之比远大于高等生物，其繁殖速度也是远远高于一般生物。远高于一般生物。v（3 3）分布广）分布广：微生物随处可见，在地球上无特定的分布，：微生物随处可见，在地球上无特定的分布，亦是其特征之一。亦是其特征之一。 1 1微生物的微生物的特征特征v根据微生物与底物根据微生物与底物作用原理作用原理的不同：的不同：v（1 1）测定）测定呼吸活性型呼吸活性型微生物传感器：微生物与底

25、微生物传感器：微生物与底物作用，在同化样品中有机物的同时，微生物细胞物作用，在同化样品中有机物的同时，微生物细胞的呼吸活性有所提高，依据反应中氧的消耗或二氧的呼吸活性有所提高，依据反应中氧的消耗或二氧化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度；化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度；v（2 2）测定）测定代谢物质型代谢物质型微生物传感器：微生物与底微生物传感器：微生物与底物作用后生成各种电极敏感代谢产物，利用对某种物作用后生成各种电极敏感代谢产物，利用对某种代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度。代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度。2 2微生物传感器的微生物传感器的类型类型v电流型电流

26、型是指工作中，微生物敏感膜与待测物质发生是指工作中，微生物敏感膜与待测物质发生反应后，通过检测某种物质的含量变化，最终输出反应后，通过检测某种物质的含量变化，最终输出为电流信号的传感器。最常用的是氧电极。大多数为电流信号的传感器。最常用的是氧电极。大多数的微生物传感器是利用微生物体内的酶进行反应，的微生物传感器是利用微生物体内的酶进行反应，而这些酶中有不少特别是各种氧化酶在催化底物反而这些酶中有不少特别是各种氧化酶在催化底物反应时要用溶解氧作为辅助试剂，从而可以用氧电极应时要用溶解氧作为辅助试剂，从而可以用氧电极测定反应中消耗的氧量。测定反应中消耗的氧量。 v电位型电位型是指工作时，通过信号转

27、换器件转换后输出是指工作时，通过信号转换器件转换后输出信号为电位的微生物传感器。信号为电位的微生物传感器。 3 3电化学电化学微生物传感器微生物传感器v基于高频压电晶体频率对溶液介质性质变化具有灵敏的响应基于高频压电晶体频率对溶液介质性质变化具有灵敏的响应特性制成的。特性制成的。v微生物在生长过程中与外界溶液进行物质能量的交换，改变微生物在生长过程中与外界溶液进行物质能量的交换，改变培养液的化学成分，使得培养液的阻抗发生变化，导致培养培养液的化学成分，使得培养液的阻抗发生变化，导致培养液的电导率和介电常数改变。当培养的微生物的数量超过某液的电导率和介电常数改变。当培养的微生物的数量超过某一阈值

28、时晶体振荡频率产生突跃。一阈值时晶体振荡频率产生突跃。v从接种微生物开始到压电传感器检测出突变，即到培养液性从接种微生物开始到压电传感器检测出突变，即到培养液性质参数出现突变被检测出所需要的时间称为频率测出时间质参数出现突变被检测出所需要的时间称为频率测出时间（FDTFDT）。在微生物增代时间固定时，）。在微生物增代时间固定时，FDTFDT与待测微生物数量与待测微生物数量之间有线性关系，所以可以通过测定之间有线性关系，所以可以通过测定FDTFDT来测定微生物含量。来测定微生物含量。4 4压电高频阻抗型压电高频阻抗型微生物传感器微生物传感器v微生物在呼吸代谢过程中可产生电子，直接在阳极上放电，微

29、生物在呼吸代谢过程中可产生电子，直接在阳极上放电，产生电信号。但是微生物在电极上放电的能力很弱，往往需产生电信号。但是微生物在电极上放电的能力很弱，往往需要加入电子传递的媒介物要加入电子传递的媒介物介体，起到增大电流的作用。介体，起到增大电流的作用。 5 5燃料电池型燃料电池型微生物传感器微生物传感器 第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 9.3.2 9.3.2 微生物传

30、感器微生物传感器 9.3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 9.3.4 9.3.4 基因传感器基因传感器 9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器v免疫传感器是将免疫测定技术与传感技免疫传感器是将免疫测定技术与传感技术相结合的一类新型生物传感器。术相结合的一类新型生物传感器。v免疫传感器依赖于抗原和抗体之间特异免疫传感器依赖于抗原和抗体之间特异性和亲和性，利用抗体检测抗原或利用性和亲和性，利用抗体检测抗原或利用抗原检出抗体。抗原检出抗体。 1. 1. 免疫传感器的免疫传感器的定义定义v生物敏感元件生物敏感元件：固定抗原或抗体的分子层：固定抗原或抗体的分子层 。v换能器换

31、能器：将识别分子膜上进行的生化反应转：将识别分子膜上进行的生化反应转变成光、电信号变成光、电信号 。v信号数据处理器信号数据处理器：将电信号放大、处理、显：将电信号放大、处理、显示或记录下来。示或记录下来。 2. 2. 免疫传感器的免疫传感器的结构结构 （1 1）光学光学免疫传感器免疫传感器v对一个生物系统的反应物或产物吸收或发出对一个生物系统的反应物或产物吸收或发出的电磁射线进行测定。的电磁射线进行测定。v光学换能器光学换能器可用来响应紫外线或可视射线，可用来响应紫外线或可视射线， 也可响应生物或化学发光产物，还能适用于也可响应生物或化学发光产物，还能适用于含光纤的装置。含光纤的装置。 4.

32、 4. 免疫传感器的免疫传感器的分类分类（2 2）压电晶体压电晶体免疫传感器免疫传感器v将抗原或抗体固定于传感器电极表面形成敏将抗原或抗体固定于传感器电极表面形成敏感膜，利用抗原与抗体特异性结合后产生的感膜，利用抗原与抗体特异性结合后产生的微小质量变化，通过免疫传感器进行快速、微小质量变化，通过免疫传感器进行快速、灵敏的检测。主要由石英晶体、频率检测电灵敏的检测。主要由石英晶体、频率检测电路和数据处理系统等组成。路和数据处理系统等组成。 4. 4. 免疫传感器的免疫传感器的分类分类v该传感器包括一个镀有薄金属镀层的棱镜，其中金属层成为该传感器包括一个镀有薄金属镀层的棱镜，其中金属层成为棱镜和绝

33、缘体之间的界面。棱镜和绝缘体之间的界面。4.4.免疫传感器的免疫传感器的分类：分类：表面等离子体共振型表面等离子体共振型v反射光的强度在某一个特殊的入射反射光的强度在某一个特殊的入射角度角度spsp 突然下降，就在这个角突然下降，就在这个角度，入射光的能量与由金属度，入射光的能量与由金属- -绝缘绝缘体交接面激励产生的表面等离子共体交接面激励产生的表面等离子共振相匹配。将一层薄膜振相匹配。将一层薄膜( (如生物膜如生物膜) ) 沉淀在金属层上，绝缘物质的折射沉淀在金属层上，绝缘物质的折射系数会发生改变。系数会发生改变。v折射系数依赖于绝缘物质和沉淀膜的厚度和密度的大小。测折射系数依赖于绝缘物质

34、和沉淀膜的厚度和密度的大小。测试陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推导出来。试陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推导出来。 （4 4）电化学电化学免疫传感器：免疫传感器：电位电位测量式测量式 v先通过聚氯乙烯膜把抗体固定在金属电极上，先通过聚氯乙烯膜把抗体固定在金属电极上，然后用相应的抗原与之特异性结合，抗体膜然后用相应的抗原与之特异性结合，抗体膜中的离子迁移率随之发生变化，从而使电极中的离子迁移率随之发生变化，从而使电极上的膜电位也相应发生改变。上的膜电位也相应发生改变。v膜电位的变化值与待测物浓度之间存在对数膜电位的变化值与待测物浓度之间存在对数关系，因此根据电位变化值进行换算，即可关

35、系，因此根据电位变化值进行换算，即可求出待测物浓度。求出待测物浓度。 4. 4. 免疫传感器的免疫传感器的分类分类（4 4）电化学电化学免疫传感器免疫传感器v电流电流测量式：它们测量的是恒定电压下通过电化学测量式：它们测量的是恒定电压下通过电化学室的电流，待测物通过氧化还原反应在传感电极上室的电流，待测物通过氧化还原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度成正比。产生的电流与电极表面的待测物浓度成正比。 v电导率电导率测量式：可大量用于化学系统中，因为许多测量式：可大量用于化学系统中，因为许多化学反应都产生或消耗多种离子体，从而改变溶液化学反应都产生或消耗多种离子体，从而改变溶液的总电

36、导率；通常是将一种抗原（抗体）固定在某的总电导率；通常是将一种抗原（抗体）固定在某种贵重金属电极上种贵重金属电极上( (如金、银、铜、镍、铬如金、银、铜、镍、铬) )，在电，在电场作用下测量待测物溶液中导电率的变化。场作用下测量待测物溶液中导电率的变化。 4. 4. 免疫传感器的免疫传感器的分类分类第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 9.3.2 9.3.2 微生物传感器

37、微生物传感器 9.3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 9.3.4 9.3.4 基因传感器基因传感器 9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器v所谓基因传感器，其原理就是通过固定在传所谓基因传感器，其原理就是通过固定在传感器或称换能器探头表面上的己知核甘酸序感器或称换能器探头表面上的己知核甘酸序列的单链列的单链DNA分子分子( (也称为也称为ssDNA探针探针) )，和，和另一条互补的另一条互补的ssDNA分子，也称为目标分子，也称为目标DNA杂交，形成的双链杂交，形成的双链DNA( (dsDNA) )会表现出一会表现出一定的物理信号，最后由换能器反应出来。定的物理信号

38、，最后由换能器反应出来。 1. 1. 基因传感器的基因传感器的原理原理v电化学式基因传感器是以电极为换能器，也电化学式基因传感器是以电极为换能器，也就是将就是将ssDNA控针固定在金电极、碳糊电极控针固定在金电极、碳糊电极或玻璃电极等表面上，然后浸入含有目标或玻璃电极等表面上，然后浸入含有目标ssDNA分子的溶液中，此时电极上的分子的溶液中，此时电极上的ssDNA控针与溶液中的互补序列的目标控针与溶液中的互补序列的目标DNA单链分单链分子杂交。子杂交。2.2.电化学电化学基因传感器基因传感器v换能器在压电介质中激发声波，以声波作为检测的手段。传换能器在压电介质中激发声波，以声波作为检测的手段。

39、传感器的表面首先固定单链的感器的表面首先固定单链的DNA( (DNA探针探针) )，然后加入含，然后加入含有互补有互补DNA链的待测溶液，进行链的待测溶液，进行DNA杂交反应。杂交后形杂交反应。杂交后形成双链成双链DNA结构，使传感器表面的质量增加，从而影响声波结构，使传感器表面的质量增加，从而影响声波的频率。对压电传感器，其表面的质量增加的频率。对压电传感器，其表面的质量增加和声波的频和声波的频率降低率降低 存在定量关系。存在定量关系。3. 3. 压电压电基因传感器基因传感器vSPRSPR作为换能器，其对基因敏感的原理仍然如电化作为换能器，其对基因敏感的原理仍然如电化学式或学式或QCMQCM

40、式基因传感器一样，只是检测的信号为式基因传感器一样，只是检测的信号为光学信号。光学信号。vSPRSPR基因传感器通常将已知的单链基因传感器通常将已知的单链DNADNA分子固定在几分子固定在几十纳米厚的金属十纳米厚的金属( (金、银等金、银等) )膜表面，加入与其互补膜表面，加入与其互补的目标的目标DNADNA，两者结合，两者结合( (杂交杂交) )将使金属膜与溶液界将使金属膜与溶液界面的折射率上升，从而导致谐振角改变，如果固定面的折射率上升，从而导致谐振角改变，如果固定入射角度，就能根据谐振角的改变程度对互补的目入射角度，就能根据谐振角的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。标生物分子进行

41、定量检测。 7.7. SPR( Surface Plasma Resonance)基因传感器基因传感器第第9 9章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 9.1 概述概述 v9.2 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 9.3.2 9.3.2 微生物传感器微生物传感器 9.3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 9.3.4 9.3.4 基因传感器基因传感器 9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器v微臂梁生物传感器是以微悬臂梁作

42、为换能元件，在微悬臂微臂梁生物传感器是以微悬臂梁作为换能元件，在微悬臂梁的一面涂有生物敏感层，当被测物质吸附到生物敏感层梁的一面涂有生物敏感层，当被测物质吸附到生物敏感层后，微悬臂梁的表面应力或共振频率发生变化。后，微悬臂梁的表面应力或共振频率发生变化。v通过检测微悬臂梁的弯曲变形或共振频移就可以测吸附到通过检测微悬臂梁的弯曲变形或共振频移就可以测吸附到敏感层上的生物分子。敏感层上的生物分子。 v微悬臂梁是一种采用体硅加工技术和表面加工技术制备而微悬臂梁是一种采用体硅加工技术和表面加工技术制备而成的微结构，常用于微机电系统（成的微结构，常用于微机电系统（MEMSMEMS）中，其尺寸非常）中，其

43、尺寸非常微小，长度和宽度一般在微米范围，而厚度在亚微米范围。微小，长度和宽度一般在微米范围，而厚度在亚微米范围。微悬臂梁具有多种结构形式，可工作在静态和动态模式下，微悬臂梁具有多种结构形式，可工作在静态和动态模式下，有多种激励和检测方法，在微小力检测、生物、化学、环有多种激励和检测方法，在微小力检测、生物、化学、环境检测等诸多方面具有非常广泛的应用。境检测等诸多方面具有非常广泛的应用。9.3.5 9.3.5 微悬臂梁生物传感器微悬臂梁生物传感器1.1.微悬臂梁的微悬臂梁的结构形式结构形式v矩形矩形：加工方便，使用广泛；：加工方便，使用广泛；T T形形：增加反射面积；：增加反射面积；U U形形：

44、增：增加形变，一般用于加速度计；加形变，一般用于加速度计；三角形三角形：一般用于：一般用于AFMAFM，顶端，顶端有一个三角锥；有一个三角锥；音叉形音叉形：角速度检测；：角速度检测；桥式桥式：压力测量。：压力测量。2.2.微悬臂梁的微悬臂梁的工作模式工作模式v弯曲弯曲模式模式静态静态模式：弯曲模式是指微悬臂梁在外界环境改模式：弯曲模式是指微悬臂梁在外界环境改变或力的作用下，其表面质量或表面应力发生变化，引起微变或力的作用下，其表面质量或表面应力发生变化，引起微悬臂梁的弯曲，通过检测微悬臂梁弯曲量的大小，就可以得悬臂梁的弯曲，通过检测微悬臂梁弯曲量的大小，就可以得出引起其弯曲的物理量或化学量。出

45、引起其弯曲的物理量或化学量。v共振共振模式模式动态动态模式：微悬臂梁的共振模式是通过检测微悬模式：微悬臂梁的共振模式是通过检测微悬臂梁共振频率的变化得到引起其共振频率变化的物理量或化臂梁共振频率的变化得到引起其共振频率变化的物理量或化学量。例如，当在微悬臂梁上涂上敏感层，吸附到微悬臂梁学量。例如，当在微悬臂梁上涂上敏感层，吸附到微悬臂梁上的分子质量变化后，微悬臂梁的共振频率就会发生变化，上的分子质量变化后，微悬臂梁的共振频率就会发生变化，这在生化传感器中经常使用。在共振模式下，微悬臂梁具有这在生化传感器中经常使用。在共振模式下，微悬臂梁具有很宽的动态范围，同时它还具有很高的分辨率。很宽的动态范

46、围，同时它还具有很高的分辨率。v光热光热激励是用光纤耦合激光束，垂直指向微悬臂梁的激励是用光纤耦合激光束，垂直指向微悬臂梁的表面。在微悬臂梁的表面，激光束的能量被部分吸收。表面。在微悬臂梁的表面，激光束的能量被部分吸收。这样就可以建立一个时间这样就可以建立一个时间/ /温度的函数关系，如果调制温度的函数关系，如果调制激光束的密度，就会驱动微悬臂梁周期性地弯曲。激光束的密度，就会驱动微悬臂梁周期性地弯曲。v声波声波激励是用一个小型扬声器产生声波，声波通过空激励是用一个小型扬声器产生声波，声波通过空气传播到微悬臂梁后就会在微悬臂梁上造成压力差，气传播到微悬臂梁后就会在微悬臂梁上造成压力差，迫使微悬

47、臂梁振动。但是在液体环境中，液体的流动迫使微悬臂梁振动。但是在液体环境中，液体的流动会造成声波共振，这就对微悬臂梁的检测产生一定影会造成声波共振，这就对微悬臂梁的检测产生一定影响。响。3.3.微悬臂梁的微悬臂梁的激励激励与检测方法与检测方法v磁致磁致激励是利用螺线管产生外部磁场，外部激励是利用螺线管产生外部磁场，外部磁场直接激励微悬臂梁振动。磁场直接激励微悬臂梁振动。v压电压电激励是目前最常使用的激励微悬臂梁振激励是目前最常使用的激励微悬臂梁振动的方法，将压电叠堆固定在微悬臂梁固定动的方法，将压电叠堆固定在微悬臂梁固定端，当在压电叠堆上下电极之间施加交流电端，当在压电叠堆上下电极之间施加交流电压时，压电叠堆由于逆压电效应，会产生相压时，压电叠堆由于逆压电效应，会产生相应的机械变形，从而带动微悬臂梁振动。应的机械变形，从而带动微悬臂梁振动。3.3.微悬臂梁的微悬臂梁的激励激励与检测方法与检测方法v光反射法光反射法：用一个低功率激光二极管发出一束激：用一个低功率激光二极管发出一束激光，经聚焦后照射到到梁的自由端，光反射